レーザー溶接方法及びレーザー溶接装置
【課題】溶接終了時に、フィラーワイヤと金属板とを良好に切り離すことができるレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置を提供する。
【解決手段】二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２のうち上側の金属板表面に所定のエネルギー密度を有するレーザー光Ａを照射して溶融池を形成するとともに、該溶融池における前記レーザー光の被照射部よりも溶接進行方向後方にフィラーワイヤＢを供給し、二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接において、溶接終了時に、フィラーワイヤにレーザー光を照射することができるようにレーザーヘッド１０を移動させ、フィラーワイヤに前記レーザーヘッドから前記所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光を照射し、フィラーワイヤにレーザー光を照射した状態でフィラーワイヤを溶融池への供給方向と反対方向に引き戻し、フィラーワイヤと金属板とを切り離す。
【解決手段】二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２のうち上側の金属板表面に所定のエネルギー密度を有するレーザー光Ａを照射して溶融池を形成するとともに、該溶融池における前記レーザー光の被照射部よりも溶接進行方向後方にフィラーワイヤＢを供給し、二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接において、溶接終了時に、フィラーワイヤにレーザー光を照射することができるようにレーザーヘッド１０を移動させ、フィラーワイヤに前記レーザーヘッドから前記所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光を照射し、フィラーワイヤにレーザー光を照射した状態でフィラーワイヤを溶融池への供給方向と反対方向に引き戻し、フィラーワイヤと金属板とを切り離す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上下に重ね合わせられた平板状の二枚の金属板のレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置に関し、金属溶接技術の分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
近年、上下に重ね合わされた二枚の金属板の溶接として、レーザー溶接が利用されつつある。このレーザー溶接は、二枚の金属板の上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザー光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して移動させることにより、二枚の金属板を溶融させて線状の溶接ビードを形成させるものである。
【０００３】
また、レーザー光が照射される被照射部にフィラーワイヤを供給しながら上下に重ね合わせられた二枚の金属板をレーザー溶接することにより、金属板だけでなくフィラーワイヤも溶融させて、すなわち溶融金属を増加させて、二枚の金属板を連結させることも知られている。
【０００４】
このようにレーザー光の被照射部にフィラーワイヤを供給しながらレーザー溶接する際には、溶接終了時に、フィラーワイヤと溶接部とが接続され、該ワイヤを無理に引き離したときに、ワイヤの先端部に溶接部の金属固化物が玉状に付着したり溶接部に穴部が形成されたりするという溶接不良を生じる場合がある。
【０００５】
これに対処するものとして、例えば特許文献１には、突き合わせ部にフィラーワイヤを供給しながらレーザー溶接するものであるが、溶接が終了してレーザー光の照射を停止したときにフィラーワイヤに所定の電流を流してフィラーワイヤを切断することが開示されている。また、例えば特許文献２には、レーザー照射停止タイミングよりも前のタイミングでフィラーワイヤの供給を停止することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−２３５０８８号公報
【特許文献２】特開２００１−１９８６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、レーザー光が照射される被照射部にフィラーワイヤを供給しながら上下に重ね合わせられた平板状の二枚の金属板をレーザー溶接する場合、金属板とフィラーワイヤとをレーザー光によって溶融させることから、フィラーワイヤの溶融にエネルギーが消費されて金属板の溶融が不十分となることがある。
【０００８】
これに対して、二枚の金属板のうち上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射することにより金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成し、この溶融池にフィラーワイヤをレーザー光の被照射部よりも溶接進行方向後方に供給することで、レーザー光のエネルギーがフィラーワイヤの溶融に消費されることなく、金属板の溶融に利用することが可能であると考えられる。
【０００９】
また、上下に重ね合わせられた平板状の二枚の金属板をレーザー溶接する場合、二枚の金属板における対向する面は一般に完全な平面ではないので、二枚の金属板間には少なからず隙間が生じることとなるが、フィラーワイヤを溶融池に供給する前記方法によれば、二枚の金属板の間の対向する面に隙間が生じている場合においても、フィラーワイヤを用いて二枚の金属板を連結させることができると考えられる。
【００１０】
しかしながら、フィラーワイヤを溶融池に供給しながら上下に重ね合わせられた平板状の二枚の金属板をレーザー溶接する場合には、フィラーワイヤが溶融池に供給されていることから、溶接終了時に、該ワイヤが溶融池の溶融金属が凝固して形成される溶接部に固着し、無理に引き離したときに、前述の場合と同様に、ワイヤの先端部に溶接部の金属固化物が玉状に付着したり溶接部に穴部が形成されたりするという溶接不良を生じることになる。
【００１１】
そこで、本発明は、前記技術的課題に鑑みてなされたもので、フィラーワイヤを溶融池に供給しながら二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接において、溶接終了時に、フィラーワイヤと金属板とを良好に切り離すことができるレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このため、本願の請求項１に係る発明は、上下に重ね合わせられた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のうち上側の金属板表面に所定のエネルギー密度を有するレーザー光を照射し、前記金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成するとともに、前記溶融池における前記レーザー光の被照射部よりも溶接進行方向後方にフィラーワイヤを供給し、二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接方法であって、溶接終了時に、レーザー光を照射するレーザーヘッドを、前記フィラーワイヤにレーザー光を照射することができるように移動させる第１ステップと、前記フィラーワイヤに前記レーザーヘッドから前記所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光を照射する第２ステップと、前記フィラーワイヤに前記レーザー光を照射した状態で前記フィラーワイヤを前記溶融池への供給方向と反対方向に引き戻し、前記フィラーワイヤと前記金属板とを切り離す第３ステップと、を備えている、ことを特徴としたものである。
【００１３】
また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に記載のレーザー溶接方法において、前記第１ステップでは、前記レーザー光の被照射部が前記フィラーワイヤの前記溶融池への進入部分を含むように前記レーザーヘッドを移動させる、ことを特徴としたものである。
【００１４】
更に、本願の請求項３に係る発明は、請求項２に記載のレーザー溶接方法において、前記第１ステップにおいて、前記レーザーヘッドを前記フィラーワイヤ側に平行移動させる又は回転移動させる、ことを特徴としたものである。
【００１５】
また更に、本願の請求項４に係る発明は、上下に重ね合わせられた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のうち上側の金属板表面に所定のエネルギー密度を有するレーザー光を照射し、前記金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成するレーザーヘッドと、前記溶融池における前記レーザー光の被照射部よりも溶接進行方向後方にフィラーワイヤを供給可能に構成されると共に前記フィラーワイヤを前記溶融池への供給方向と反対方向に引き戻し可能に構成されたワイヤ供給手段と、を備え、フィラーワイヤを溶融池に供給しながら二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接装置であって、溶接終了時に、前記フィラーワイヤにレーザー光を照射することができるようにレーザーヘッドの移動を制御し、前記フィラーワイヤに前記レーザーヘッドから前記所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光を照射するように前記レーザーヘッドの作動を制御し、前記フィラーワイヤに前記レーザー光を照射した状態で前記フィラーワイヤを前記溶融池への供給方向と反対方向に引き戻し、前記フィラーワイヤと前記金属板とを切り離すように前記ワイヤ供給手段の作動を制御する制御手段をさらに備えている、ことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本願の請求項１に係る発明によれば、上側の金属板表面に所定のエネルギー密度を有するレーザー光を照射して形成された溶融池にレーザー光の被照射部よりも溶接進行方向後方にフィラーワイヤを供給し、二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接において、溶接終了時に、フィラーワイヤにレーザー光を照射することができるようにレーザーヘッドを移動させ、フィラーワイヤにレーザーヘッドから前記所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光を照射し、フィラーワイヤにレーザー光を照射した状態で、フィラーワイヤを溶融池への供給方向と反対方向に引き戻し、フィラーワイヤと金属板とを切り離す。
【００１７】
これにより、溶接終了時に、エネルギー密度を低下させたレーザー光によってフィラーワイヤのみを溶融させて切り離すことができるので、ワイヤの先端部に溶接部の金属固化物が玉状に付着したり溶接部に穴部が形成されたりするという溶接不良が生じることを防止することができ、フィラーワイヤと金属板とを良好に切り離すことができる。また、溶接終了時に、フィラーワイヤを引き戻しながらレーザー光が照射されるので、ワイヤが切り離される際にワイヤの先端部が先細り状になる場合があるが、かかる場合においても、ワイヤを次の溶接に有効に使用することが可能である。
【００１８】
また、本願の請求項２に係る発明によれば、レーザー光の被照射部がフィラーワイヤの溶融池への進入部分を含むようにレーザーヘッドを移動させるので、前記効果をより具体的に実現することができる。
【００１９】
更に、本願の請求項３に係る発明によれば、レーザーヘッドをフィラーワイヤ側に平行移動させる又は回転移動させるので、比較的簡単な装置を用いてレーザーヘッドを移動させることが可能であり、前記効果を有効に得ることができる。
【００２０】
また更に、本願の請求項４に係る発明によれば、レーザー溶接装置において、本願の請求項１に記載の発明と同様の作用、効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザー溶接装置の要部外観図である。
【図２】同溶接装置の制御システム図である。
【図３】（ａ）：定常溶接中における金属板のレーザー光被照射部及びその近傍の状態を示す平面図である。（ｂ）：（ａ）図のX−X断面図である。
【図４】溶接終了時の制御を示すタイムチャートである。
【図５】定常溶接終了時及び溶接終了時の制御の第１ステップの説明図である。
【図６】溶接終了時の制御の第２ステップ及び第３ステップの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態に係るレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置について、添付図面を参照しながら説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザー溶接装置１の要部を示し、このレーザー溶接装置１は、レーザー光Ａを照射するレーザーヘッド１０と、フィラーワイヤＢを供給するワイヤ供給手段としてのワイヤ供給装置２０と、フィラーワイヤＢの加熱装置３０とを有し、上下に重ね合わされた平板状の二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２に対し、上方からレーザー光Ａを照射すると共に、上側の金属板Ｗ１におけるレーザー光被照射部ｘの近傍に、加熱されたフィラーワイヤＢを供給するようになっている。
【００２４】
ここで、金属板Ｗ１、Ｗ２は、クランプ装置２により重ね合わされた状態で固定されているが、両金属板Ｗ１、Ｗ２の間には、誇張して示すように、面精度に起因する隙間ｗが生じている。
【００２５】
レーザーヘッド１０及びワイヤ供給装置２０は、溶接ロボット３のアーム３ａに固着されたベース板４に取り付けられ、該アーム３ａの移動により、金属板Ｗ１、Ｗ２に対して矢印ａで示す溶接進行方向に移動し、上側の金属板Ｗ１の上面に対するレーザー光Ａの被照射部ｘ及びフィラーワイヤＢの供給位置ｙを同方向ａに移動させることにより、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２を所定の溶接経路に沿って溶接することができるようになっている。
【００２６】
レーザーヘッド１０は、例えばＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー等の高出力レーザーを利用して構成され、レーザー出力の制御、及び内蔵された光学部材１２（図５及び図６参照）の移動によるレーザー光Ａの焦点位置の制御が可能とされている。前述したように、レーザーヘッド１０はベース板４に取り付けられているが、より詳しくは、ベース板４に、レーザーヘッド回動駆動機構１２（図２参照）によってベース板４に対して回動可能に構成される回動軸１１が取り付けられ、この回動軸１１にレーザーヘッド１０が固定して取り付けられている。これにより、レーザーヘッド回動駆動機構１２の作動を制御することで、レーザーヘッド１０から照射されるレーザー光Ａの被照射部ｘの制御が可能とされている。
【００２７】
ワイヤ供給装置２０は、ワイヤ供給ユニット２１と、レーザーヘッド１０よりも溶接進行方向後方に配置されたワイヤ供給ノズル２２と、を有し、ワイヤ供給ユニット２１におけるワイヤ供給モータ２３（図２参照）によってフィラーワイヤＢが巻回されたワイヤロール２４からフィラーワイヤＢを繰り出し、ワイヤ供給ノズル２２を通過させて、上側の金属板Ｗ１の上面の所定位置に所定角度で供給するようになっている。ワイヤ供給モータ２３は、回転速度や回転方向の制御が可能とされ、これにより、ワイヤ供給装置２０は、フィラーワイヤＢの供給量が調整可能に構成されるとともに、ワイヤロール２４からフィラーワイヤＢを供給可能に、且つワイヤロール２４へフィラーワイヤＢを引き戻し可能に構成されている。
【００２８】
ワイヤ加熱装置３０は、フィラーワイヤＢに通電することにより生じるジュール熱で該ワイヤＢを加熱するもので、加熱電源装置３１と、加熱電源装置３１とワイヤ供給ノズル２２とを接続するノズル側ケーブル３２と、加熱電源装置３１とクランプ装置２とを接続するクランプ側ケーブル３３とを有する。
【００２９】
そして、ノズル側ケーブル３２及びワイヤ供給ノズル２２を介してワイヤ供給ノズル２２内に保持されたフィラーワイヤＢに電圧を印加すると、フィラーワイヤＢが上側の金属板Ｗ１に接触した状態で、クランプ側ケーブル３３、クランプ装置２及び上側の金属板Ｗ１を介して加熱電源装置３１とフィラーワイヤＢとが電気的に接続されることにより、フィラーワイヤＢがワイヤ供給ノズル２２内の電圧印加位置から先端までの範囲で通電され、その範囲がジュール熱によって加熱されるようになっている。
【００３０】
また、このレーザー溶接装置１はコントロールユニット４０を有し、図２に示すように、コントロールユニット４０からの制御信号により、レーザーヘッド１０のレーザー出力やレーザー光Ａの焦点位置の制御、ワイヤ供給装置２０におけるワイヤ供給モータ２３の回転速度や回転方向の制御、レーザーヘッド１０を回転移動させるレーザーヘッド回動駆動機構１２の制御、ワイヤ加熱装置３０によるフィラーワイヤＢへの電圧の印加制御、及び溶接ロボット３の制御等を行うようになっている。
【００３１】
そして、定常溶接時には、コントロールユニット４０により、レーザー光Ａの焦点は、上側の金属板Ｗ１表面にフォーカス状態、すなわち上側の金属板Ｗ１に最も効率よくエネルギーが伝達される状態に制御され、また、レーザーヘッド１０は、図１に示すように、レーザー光Ａを上側の金属板Ｗ１に略垂直方向に照射することができるように制御される。なお、レーザー光Ａの出力、フィラーワイヤＢの送り速度や加熱のための電流値、ロボットアーム３ａの移動速度（溶接速度）等は、適切に設定される。
【００３２】
これにより、定常溶接時、ロボットアーム３ａの移動に伴って、両金属板Ｗ１、Ｗ２が所定の溶接経路に沿って溶接されることになる。
【００３３】
ここで、定常溶接時の状態を説明すると、図３に示すように、隙間ｗが生じた状態で上下に重ね合わされた平板状の二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２のうち上側の金属板Ｗ１の上面に所定のエネルギー密度を有するレーザー光Ａを照射し、少なくとも上側の金属板Ｗ１のレーザー光被照射部ｘを溶融させ、溶融した金属Ｗｂが貯留されてなる溶融池ＷＢを少なくとも上側の金属板Ｗ１の上面から下面にわたって形成する。本実施形態では、定常溶接時にレーザー光Ａが照射されるレーザー光Ａの被照射部位ｘは、レーザー光Ａにより金属がプラズマ状態となり、その圧力により溶融金属Ｗｂを周囲に押しやってキーホールＷａが形成される。そして、レーザー光Ａを溶接進行方向ａに移動することにより、レーザー光Ａの被照射部ｘよりも溶接進行方向後方側にわたって溶融池ＷＢが形成されることとなる。
【００３４】
また、これと並行して、予め通電により加熱されたフィラーワイヤＢを、端部がレーザー光Ａの被照射部ｘから溶接進行方向後方に所定距離ｚを隔てて溶融池ＷＢに進入するように溶融池ＷＢに供給し、通電による加熱と溶融池ＷＢに貯留されている溶融金属Ｗｂの熱とにより該フィラーワイヤＢの端部を溶融させ、上側の金属板Ｗ１における溶融池ＷＢ内の溶融金属の量を増量する。
【００３５】
これにより、増量された溶融金属の自重や、フィラーワイヤＢの端部を溶融池ＷＢに進入させる際の押圧力ｆ等により、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２の間の隙間ｗへの溶融金属Ｗｂの進入が促進されることになり、上側の金属板Ｗ１と下側の金属板Ｗ２とが溶融金属Ｗｂにより連結されることとなる。そして、溶融池ＷＢの溶融金属Ｗｂが凝固して、非溶融状態の溶接部ＷＣが形成されることとなる。
【００３６】
このようにして、定常溶接時、フィラーワイヤＢを溶融池ＷＢに供給しながら上下に重ね合わせられた平板状の二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２をレーザー溶接するレーザー溶接においては、前述したように、フィラーワイヤＢが溶融池ＷＢに供給されていることから、溶接終了時に、フィラーワイヤＢを引き戻しても溶融池ＷＢの溶融金属Ｗｂが凝固して形成される溶接部ＷＣに固着し、無理に引き離すと、該ワイヤＢの先端部に溶接部ＷＣの金属固化物が玉状に付着したり溶接部ＷＣに穴部が形成されたりするという溶接不良を生じることとなる。
【００３７】
そこで、溶接終了時において、フィラーワイヤＢを良好に金属板Ｗ１、Ｗ２から切り離すため、コントロールユニット４０は、レーザーヘッド１０や、ワイヤ供給装置２０に対し、定常溶接時とは異なる制御を行うようになっており、次に、この溶接終了時の制御を、図４のタイムチャートと図５及び図６の各ステップの状態説明図とを用いて説明する。
【００３８】
前述したように、定常溶接時には、レーザーヘッド１０から上側の金属板Ｗ１表面にフォーカス状態、すなわち上側の金属板Ｗ１に最も効率よくエネルギーが伝達されるように、焦点を該金属板Ｗ１の上面に設定した状態で所定のエネルギー密度を有するレーザー光Ａを照射し、少なくとも上側の金属板Ｗ１を溶融させて溶融金属Ｗｂが貯留されてなる溶融池ＷＢを形成するとともに、この溶融池ＷＢにおけるレーザー光Ａの被照射部ｘよりも溶接進行方向後方にフィラーワイヤＢを供給する。このフィラーワイヤＢには電圧が印加されており、フィラーワイヤＢは通電により加熱された状態で溶融池Ｗｂに供給される。これにより、フィラーワイヤＢを溶融池ＷＢに供給しながら所定の溶接経路に沿って二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２がレーザー溶接される。
【００３９】
そして、所定の溶接経路に沿ったレーザー溶接を行い、定常溶接を終了する際には、レーザー光Ａの照射とフィラーワイヤＢの溶融池ＷＢへの供給とを停止するとともに、フィラーワイヤＢへの電圧印加とロボットアーム３ａの移動とを停止する。定常溶接の終了時には、図５（ａ）に示すように、フィラーワイヤＢが溶融池ＷＢに供給されており、レーザーヘッド１０は、該レーザーヘッド１０からレーザー光Ａを照射したときにフィラーワイヤＢを照射しない位置に制御されている。
【００４０】
本実施形態では、溶接終了時に、先ず、第１ステップとして、レーザーヘッド回動駆動機構１２によるレーザーヘッド１０の移動を制御し、レーザーヘッド１０をフィラーワイヤＢ側に、すなわち溶接進行方向後方側に所定角度回転移動させ、図５（ｂ）に示すように時計回り方向に回転移動させる。このとき、レーザーヘッド１０は、フィラーワイヤＢにレーザー光Ａを照射することができるように、より具体的にはレーザー光Ａの被照射部ｘがフィラーワイヤＢの溶融池ＷＢへの進入部分を含むように回転移動される。本実施形態では、レーザーヘッド１０の光軸ＡＣが溶融池ＷＢへのフィラーワイヤＢの進入部分に一致するように移動される。
【００４１】
次に、第２ステップとして、図６（ａ）に示すように、レーザーヘッド１０の作動を制御し、レーザーヘッド１０の光学部材１２を光軸ＡＣに沿って移動させ、フィラーワイヤＢにレーザーヘッド１０からレーザー光Ａを照射したときにフィラーワイヤＢが照射される位置においてデフォーカス状態、すなわちフィラーワイヤＢが照射される位置が最も効率よくエネルギーが伝達される位置からずれている状態となるように焦点を移動させる。これにより、フィラーワイヤＢにレーザーヘッド１０からレーザー光Ａを照射したときに定常溶接時における所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光を照射することができる。
【００４２】
そして、レーザーヘッド１０からフィラーワイヤＢに定常溶接時における所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光Ａを照射する。第１ステップにおいて、レーザーヘッド１０は、その光軸ＡＣが溶融池ＷＢへのフィラーワイヤＢの進入部分に一致するように移動され、レーザー光Ａを照射したときにレーザー光Ａの被照射部ｘがフィラーワイヤＢの溶融池ＷＢへの進入部分を含むように移動されているので、フィラーワイヤＢは、溶融池ＷＢへの進入部分においてレーザー光Ａの照射を受けることとなる。なお、図４では、定常溶接時において上側の金属板Ｗ１の表面に照射されるレーザー光Ａのエネルギーを「ＨＩ」として表し、第２ステップ及び第３ステップにおいてフィラーワイヤＢに照射されるレーザー光Ａのエネルギーを「ＬＯＷ」として表している。
【００４３】
次に、第３ステップとして、図６（ｂ）に示すように、第２ステップにおいてレーザー光ＡをフィラーワイヤＢに照射した状態で、ワイヤ供給装置２０のワイヤ供給モータ２３の作動を制御し、フィラーワイヤＢを溶融池ＷＢへの供給方向と反対方向にワイヤリール２４に引き戻し、フィラーワイヤＢと金属板Ｗ１、Ｗ２とを切り離す。フィラーワイヤＢは、溶融池ＷＢへの進入部分においてエネルギー密度が低下されたレーザー光Ａの照射を受けながら引き戻され、上側の金属板Ｗ１の上面近傍においてレーザー光Ａによって溶断され、フィラーワイヤＢと金属板Ｗ１、Ｗ２とを良好に切り離すことができる。
【００４４】
本実施形態に係るレーザー溶接装置１にはまた、フィラーワイヤＢの溶融池ＷＢへの進入部分近傍を撮像する図示しない撮像装置が備えられ、レーザー溶接装置１は、前記撮像装置によって撮像された画像を画像処理してフィラーワイヤＢが金属板Ｗ１、Ｗ２と切り離されたか否かが検出することができるようになっており、図４では、このフィラーワイヤＢと金属板Ｗ１、Ｗ２とが切り離された時間をｔ１として表している。そして、フィラーワイヤＢが金属板Ｗ１、Ｗ２と切り離された後、所定位置までフィラーワイヤＢを引き戻すように時間ｔ２までフィラーワイヤＢが引き戻される。
【００４５】
一方、レーザーヘッド１０から照射されるレーザー光Ａは、フィラーワイヤＢが時間ｔ１において金属板Ｗ１、Ｗ２と切り離された後、所定時間経過した時間ｔ３において照射が停止される。これにより、フィラーワイヤＢが溶断されて金属板Ｗ１、Ｗ２側にフィラーワイヤＢの一部が残った場合にも、フィラーワイヤＢを溶融させることができ、未溶融のワイヤＢが金属板Ｗ１、Ｗ２に残存することを防止することができる。
【００４６】
なお、第３ステップの後には 次の溶接加工のために、レーザーヘッド１０が定常溶接時の状態に移動され、すなわちフィラーワイヤ１０側と反対側である溶接進行方向前方側に回転移動されるとともに、レーザーヘッド１０の光学部材１２が定常溶接時の状態に移動され、その後に、ロボットアーム３ａが次の溶接加工のための所定位置に移動される。
【００４７】
本実施形態では、第１ステップにおいて、レーザー光ＡをフィラーワイヤＢに照射することができるようにレーザーヘッドＢをフィラーワイヤＢ側に回転移動させているが、レーザーヘッド１０をベース板４に対して平行移動可能に構成し、レーザー光ＡをフィラーワイヤＢに照射することができるようにレーザーヘッド１０をフィラーワイヤＢ側に、すなわち溶接進行方向後方に平行移動させるようにすることも可能である。
【００４８】
このように、本実施形態においては、上側の金属板Ｗ１表面に所定のエネルギー密度を有するレーザー光Ａを照射して形成された溶融池ＷＢにレーザー光Ａの被照射部ｘよりも溶接進行方向後方にフィラーワイヤＢを供給し、二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２をレーザー溶接するレーザー溶接において、溶接終了時に、フィラーワイヤＢにレーザー光Ａを照射することができるようにレーザーヘッド１０を移動させ、フィラーワイヤＢにレーザーヘッド１０から前記所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光Ａを照射し、フィラーワイヤＢにレーザー光Ａを照射した状態で、フィラーワイヤＢを溶融池ＷＢへの供給方向と反対方向に引き戻し、フィラーワイヤＢと金属板Ｗ１、Ｗ２とを切り離す。
【００４９】
これにより、溶接終了時に、エネルギー密度を低下させたレーザー光ＡによってフィラーワイヤＢのみを溶融させて切り離すことができるので、ワイヤＢの先端部に溶接部ＷＣの金属固化物が玉状に付着したり溶接部ＷＣに穴部が形成されたりするという溶接不良が生じることを防止することができ、フィラーワイヤＢと金属板Ｗ１、Ｗ２とを良好に切り離すことができる。また、溶接終了時に、フィラーワイヤＢを引き戻しながらレーザー光Ａが照射されるので、ワイヤＢが切り離される際にワイヤＢの先端部が先細り状になる場合があるが、かかる場合においても、ワイヤＢを次の溶接に有効に使用することが可能である。
【００５０】
また、第１ステップでは、レーザーヘッド１０をフィラーワイヤＢ側に平行移動させる又は回転移動させるので、比較的簡単な装置を用いてレーザーヘッド１０を移動させることが可能であり、前記効果を有効に得ることができる。
【００５１】
前述した実施形態では、レーザーヘッド１０の光学部材１２を光軸ＡＣに沿って移動させ、定常溶接時には上側の金属板Ｗ１の上面にフォーカス状態でレーザー光Ａを照射し、溶接終了時の第２ステップ及び第３ステップにはフィラーワイヤＢにデフォーカス状態でレーザー光Ａを照射し、溶接終了時に定常溶接時よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光ＡをフィラーワイヤＢに照射しているが、レーザーヘッド１０から照射されるレーザー光Ａの出力を変えることにより、溶接終了時に定常溶接時よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光ＡをフィラーワイヤＢに照射するようにすることも可能である。
【００５２】
この場合、溶接終了時に、定常溶接時よりも出力が低下されたレーザー光Ａが照射されるので、フィラーワイヤＢのみを溶融させて金属板Ｗ１、Ｗ２と切り離すことができるとともに、レーザー光Ａによって金属板Ｗ１、Ｗ２がさらに溶融されて穴部が形成されることを防止することができる。
【００５３】
なお、図５及び図６では、溶接終了時の第１ステップ、第２ステップ及び第３ステップにおいて溶融池ＷＢを同一形状で表しているが、定常溶接終了時にレーザー光Ａの照射を停止した時点から溶融池ＷＢはその周囲から凝固することとなるが、かかる場合においても、本実施形態に係るレーザー溶接では、エネルギー密度を低下させたレーザー光ＡによってフィラーワイヤＢのみを溶融させて切り離すことができるので、フィラーワイヤＢと金属板Ｗ１、Ｗ２とを良好に切り離すことができる。
【００５４】
本発明は、例示された実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明は、フィラーワイヤを溶融池に供給しながら上下に重ね合わされた二枚の金属板をレーザー溶接する場合に、溶接終了時に、フィラーワイヤと金属板とを良好に切り離すことができ、もって、この種の溶接を行う例えば自動車産業等において広く利用される可能性がある。
【符号の説明】
【００５６】
１ レーザー溶接装置
１０ レーザーヘッド
２０ ワイヤ供給装置
４０ コントロールユニット
Ａ レーザー光
Ｂ フィラーワイヤ
Ｗ１ 上側の金属板
Ｗ２ 下側の金属板
ＷＢ 溶融池
Ｗｂ 溶融金属
ＷＣ 溶接部
ｗ 隙間
ｘ レーザー光被照射部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上下に重ね合わせられた平板状の二枚の金属板のレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置に関し、金属溶接技術の分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
近年、上下に重ね合わされた二枚の金属板の溶接として、レーザー溶接が利用されつつある。このレーザー溶接は、二枚の金属板の上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザー光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して移動させることにより、二枚の金属板を溶融させて線状の溶接ビードを形成させるものである。
【０００３】
また、レーザー光が照射される被照射部にフィラーワイヤを供給しながら上下に重ね合わせられた二枚の金属板をレーザー溶接することにより、金属板だけでなくフィラーワイヤも溶融させて、すなわち溶融金属を増加させて、二枚の金属板を連結させることも知られている。
【０００４】
このようにレーザー光の被照射部にフィラーワイヤを供給しながらレーザー溶接する際には、溶接終了時に、フィラーワイヤと溶接部とが接続され、該ワイヤを無理に引き離したときに、ワイヤの先端部に溶接部の金属固化物が玉状に付着したり溶接部に穴部が形成されたりするという溶接不良を生じる場合がある。
【０００５】
これに対処するものとして、例えば特許文献１には、突き合わせ部にフィラーワイヤを供給しながらレーザー溶接するものであるが、溶接が終了してレーザー光の照射を停止したときにフィラーワイヤに所定の電流を流してフィラーワイヤを切断することが開示されている。また、例えば特許文献２には、レーザー照射停止タイミングよりも前のタイミングでフィラーワイヤの供給を停止することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−２３５０８８号公報
【特許文献２】特開２００１−１９８６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、レーザー光が照射される被照射部にフィラーワイヤを供給しながら上下に重ね合わせられた平板状の二枚の金属板をレーザー溶接する場合、金属板とフィラーワイヤとをレーザー光によって溶融させることから、フィラーワイヤの溶融にエネルギーが消費されて金属板の溶融が不十分となることがある。
【０００８】
これに対して、二枚の金属板のうち上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射することにより金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成し、この溶融池にフィラーワイヤをレーザー光の被照射部よりも溶接進行方向後方に供給することで、レーザー光のエネルギーがフィラーワイヤの溶融に消費されることなく、金属板の溶融に利用することが可能であると考えられる。
【０００９】
また、上下に重ね合わせられた平板状の二枚の金属板をレーザー溶接する場合、二枚の金属板における対向する面は一般に完全な平面ではないので、二枚の金属板間には少なからず隙間が生じることとなるが、フィラーワイヤを溶融池に供給する前記方法によれば、二枚の金属板の間の対向する面に隙間が生じている場合においても、フィラーワイヤを用いて二枚の金属板を連結させることができると考えられる。
【００１０】
しかしながら、フィラーワイヤを溶融池に供給しながら上下に重ね合わせられた平板状の二枚の金属板をレーザー溶接する場合には、フィラーワイヤが溶融池に供給されていることから、溶接終了時に、該ワイヤが溶融池の溶融金属が凝固して形成される溶接部に固着し、無理に引き離したときに、前述の場合と同様に、ワイヤの先端部に溶接部の金属固化物が玉状に付着したり溶接部に穴部が形成されたりするという溶接不良を生じることになる。
【００１１】
そこで、本発明は、前記技術的課題に鑑みてなされたもので、フィラーワイヤを溶融池に供給しながら二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接において、溶接終了時に、フィラーワイヤと金属板とを良好に切り離すことができるレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このため、本願の請求項１に係る発明は、上下に重ね合わせられた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のうち上側の金属板表面に所定のエネルギー密度を有するレーザー光を照射し、前記金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成するとともに、前記溶融池における前記レーザー光の被照射部よりも溶接進行方向後方にフィラーワイヤを供給し、二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接方法であって、溶接終了時に、レーザー光を照射するレーザーヘッドを、前記フィラーワイヤにレーザー光を照射することができるように移動させる第１ステップと、前記フィラーワイヤに前記レーザーヘッドから前記所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光を照射する第２ステップと、前記フィラーワイヤに前記レーザー光を照射した状態で前記フィラーワイヤを前記溶融池への供給方向と反対方向に引き戻し、前記フィラーワイヤと前記金属板とを切り離す第３ステップと、を備えている、ことを特徴としたものである。
【００１３】
また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に記載のレーザー溶接方法において、前記第１ステップでは、前記レーザー光の被照射部が前記フィラーワイヤの前記溶融池への進入部分を含むように前記レーザーヘッドを移動させる、ことを特徴としたものである。
【００１４】
更に、本願の請求項３に係る発明は、請求項２に記載のレーザー溶接方法において、前記第１ステップにおいて、前記レーザーヘッドを前記フィラーワイヤ側に平行移動させる又は回転移動させる、ことを特徴としたものである。
【００１５】
また更に、本願の請求項４に係る発明は、上下に重ね合わせられた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のうち上側の金属板表面に所定のエネルギー密度を有するレーザー光を照射し、前記金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成するレーザーヘッドと、前記溶融池における前記レーザー光の被照射部よりも溶接進行方向後方にフィラーワイヤを供給可能に構成されると共に前記フィラーワイヤを前記溶融池への供給方向と反対方向に引き戻し可能に構成されたワイヤ供給手段と、を備え、フィラーワイヤを溶融池に供給しながら二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接装置であって、溶接終了時に、前記フィラーワイヤにレーザー光を照射することができるようにレーザーヘッドの移動を制御し、前記フィラーワイヤに前記レーザーヘッドから前記所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光を照射するように前記レーザーヘッドの作動を制御し、前記フィラーワイヤに前記レーザー光を照射した状態で前記フィラーワイヤを前記溶融池への供給方向と反対方向に引き戻し、前記フィラーワイヤと前記金属板とを切り離すように前記ワイヤ供給手段の作動を制御する制御手段をさらに備えている、ことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本願の請求項１に係る発明によれば、上側の金属板表面に所定のエネルギー密度を有するレーザー光を照射して形成された溶融池にレーザー光の被照射部よりも溶接進行方向後方にフィラーワイヤを供給し、二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接において、溶接終了時に、フィラーワイヤにレーザー光を照射することができるようにレーザーヘッドを移動させ、フィラーワイヤにレーザーヘッドから前記所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光を照射し、フィラーワイヤにレーザー光を照射した状態で、フィラーワイヤを溶融池への供給方向と反対方向に引き戻し、フィラーワイヤと金属板とを切り離す。
【００１７】
これにより、溶接終了時に、エネルギー密度を低下させたレーザー光によってフィラーワイヤのみを溶融させて切り離すことができるので、ワイヤの先端部に溶接部の金属固化物が玉状に付着したり溶接部に穴部が形成されたりするという溶接不良が生じることを防止することができ、フィラーワイヤと金属板とを良好に切り離すことができる。また、溶接終了時に、フィラーワイヤを引き戻しながらレーザー光が照射されるので、ワイヤが切り離される際にワイヤの先端部が先細り状になる場合があるが、かかる場合においても、ワイヤを次の溶接に有効に使用することが可能である。
【００１８】
また、本願の請求項２に係る発明によれば、レーザー光の被照射部がフィラーワイヤの溶融池への進入部分を含むようにレーザーヘッドを移動させるので、前記効果をより具体的に実現することができる。
【００１９】
更に、本願の請求項３に係る発明によれば、レーザーヘッドをフィラーワイヤ側に平行移動させる又は回転移動させるので、比較的簡単な装置を用いてレーザーヘッドを移動させることが可能であり、前記効果を有効に得ることができる。
【００２０】
また更に、本願の請求項４に係る発明によれば、レーザー溶接装置において、本願の請求項１に記載の発明と同様の作用、効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザー溶接装置の要部外観図である。
【図２】同溶接装置の制御システム図である。
【図３】（ａ）：定常溶接中における金属板のレーザー光被照射部及びその近傍の状態を示す平面図である。（ｂ）：（ａ）図のX−X断面図である。
【図４】溶接終了時の制御を示すタイムチャートである。
【図５】定常溶接終了時及び溶接終了時の制御の第１ステップの説明図である。
【図６】溶接終了時の制御の第２ステップ及び第３ステップの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態に係るレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置について、添付図面を参照しながら説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザー溶接装置１の要部を示し、このレーザー溶接装置１は、レーザー光Ａを照射するレーザーヘッド１０と、フィラーワイヤＢを供給するワイヤ供給手段としてのワイヤ供給装置２０と、フィラーワイヤＢの加熱装置３０とを有し、上下に重ね合わされた平板状の二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２に対し、上方からレーザー光Ａを照射すると共に、上側の金属板Ｗ１におけるレーザー光被照射部ｘの近傍に、加熱されたフィラーワイヤＢを供給するようになっている。
【００２４】
ここで、金属板Ｗ１、Ｗ２は、クランプ装置２により重ね合わされた状態で固定されているが、両金属板Ｗ１、Ｗ２の間には、誇張して示すように、面精度に起因する隙間ｗが生じている。
【００２５】
レーザーヘッド１０及びワイヤ供給装置２０は、溶接ロボット３のアーム３ａに固着されたベース板４に取り付けられ、該アーム３ａの移動により、金属板Ｗ１、Ｗ２に対して矢印ａで示す溶接進行方向に移動し、上側の金属板Ｗ１の上面に対するレーザー光Ａの被照射部ｘ及びフィラーワイヤＢの供給位置ｙを同方向ａに移動させることにより、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２を所定の溶接経路に沿って溶接することができるようになっている。
【００２６】
レーザーヘッド１０は、例えばＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー等の高出力レーザーを利用して構成され、レーザー出力の制御、及び内蔵された光学部材１２（図５及び図６参照）の移動によるレーザー光Ａの焦点位置の制御が可能とされている。前述したように、レーザーヘッド１０はベース板４に取り付けられているが、より詳しくは、ベース板４に、レーザーヘッド回動駆動機構１２（図２参照）によってベース板４に対して回動可能に構成される回動軸１１が取り付けられ、この回動軸１１にレーザーヘッド１０が固定して取り付けられている。これにより、レーザーヘッド回動駆動機構１２の作動を制御することで、レーザーヘッド１０から照射されるレーザー光Ａの被照射部ｘの制御が可能とされている。
【００２７】
ワイヤ供給装置２０は、ワイヤ供給ユニット２１と、レーザーヘッド１０よりも溶接進行方向後方に配置されたワイヤ供給ノズル２２と、を有し、ワイヤ供給ユニット２１におけるワイヤ供給モータ２３（図２参照）によってフィラーワイヤＢが巻回されたワイヤロール２４からフィラーワイヤＢを繰り出し、ワイヤ供給ノズル２２を通過させて、上側の金属板Ｗ１の上面の所定位置に所定角度で供給するようになっている。ワイヤ供給モータ２３は、回転速度や回転方向の制御が可能とされ、これにより、ワイヤ供給装置２０は、フィラーワイヤＢの供給量が調整可能に構成されるとともに、ワイヤロール２４からフィラーワイヤＢを供給可能に、且つワイヤロール２４へフィラーワイヤＢを引き戻し可能に構成されている。
【００２８】
ワイヤ加熱装置３０は、フィラーワイヤＢに通電することにより生じるジュール熱で該ワイヤＢを加熱するもので、加熱電源装置３１と、加熱電源装置３１とワイヤ供給ノズル２２とを接続するノズル側ケーブル３２と、加熱電源装置３１とクランプ装置２とを接続するクランプ側ケーブル３３とを有する。
【００２９】
そして、ノズル側ケーブル３２及びワイヤ供給ノズル２２を介してワイヤ供給ノズル２２内に保持されたフィラーワイヤＢに電圧を印加すると、フィラーワイヤＢが上側の金属板Ｗ１に接触した状態で、クランプ側ケーブル３３、クランプ装置２及び上側の金属板Ｗ１を介して加熱電源装置３１とフィラーワイヤＢとが電気的に接続されることにより、フィラーワイヤＢがワイヤ供給ノズル２２内の電圧印加位置から先端までの範囲で通電され、その範囲がジュール熱によって加熱されるようになっている。
【００３０】
また、このレーザー溶接装置１はコントロールユニット４０を有し、図２に示すように、コントロールユニット４０からの制御信号により、レーザーヘッド１０のレーザー出力やレーザー光Ａの焦点位置の制御、ワイヤ供給装置２０におけるワイヤ供給モータ２３の回転速度や回転方向の制御、レーザーヘッド１０を回転移動させるレーザーヘッド回動駆動機構１２の制御、ワイヤ加熱装置３０によるフィラーワイヤＢへの電圧の印加制御、及び溶接ロボット３の制御等を行うようになっている。
【００３１】
そして、定常溶接時には、コントロールユニット４０により、レーザー光Ａの焦点は、上側の金属板Ｗ１表面にフォーカス状態、すなわち上側の金属板Ｗ１に最も効率よくエネルギーが伝達される状態に制御され、また、レーザーヘッド１０は、図１に示すように、レーザー光Ａを上側の金属板Ｗ１に略垂直方向に照射することができるように制御される。なお、レーザー光Ａの出力、フィラーワイヤＢの送り速度や加熱のための電流値、ロボットアーム３ａの移動速度（溶接速度）等は、適切に設定される。
【００３２】
これにより、定常溶接時、ロボットアーム３ａの移動に伴って、両金属板Ｗ１、Ｗ２が所定の溶接経路に沿って溶接されることになる。
【００３３】
ここで、定常溶接時の状態を説明すると、図３に示すように、隙間ｗが生じた状態で上下に重ね合わされた平板状の二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２のうち上側の金属板Ｗ１の上面に所定のエネルギー密度を有するレーザー光Ａを照射し、少なくとも上側の金属板Ｗ１のレーザー光被照射部ｘを溶融させ、溶融した金属Ｗｂが貯留されてなる溶融池ＷＢを少なくとも上側の金属板Ｗ１の上面から下面にわたって形成する。本実施形態では、定常溶接時にレーザー光Ａが照射されるレーザー光Ａの被照射部位ｘは、レーザー光Ａにより金属がプラズマ状態となり、その圧力により溶融金属Ｗｂを周囲に押しやってキーホールＷａが形成される。そして、レーザー光Ａを溶接進行方向ａに移動することにより、レーザー光Ａの被照射部ｘよりも溶接進行方向後方側にわたって溶融池ＷＢが形成されることとなる。
【００３４】
また、これと並行して、予め通電により加熱されたフィラーワイヤＢを、端部がレーザー光Ａの被照射部ｘから溶接進行方向後方に所定距離ｚを隔てて溶融池ＷＢに進入するように溶融池ＷＢに供給し、通電による加熱と溶融池ＷＢに貯留されている溶融金属Ｗｂの熱とにより該フィラーワイヤＢの端部を溶融させ、上側の金属板Ｗ１における溶融池ＷＢ内の溶融金属の量を増量する。
【００３５】
これにより、増量された溶融金属の自重や、フィラーワイヤＢの端部を溶融池ＷＢに進入させる際の押圧力ｆ等により、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２の間の隙間ｗへの溶融金属Ｗｂの進入が促進されることになり、上側の金属板Ｗ１と下側の金属板Ｗ２とが溶融金属Ｗｂにより連結されることとなる。そして、溶融池ＷＢの溶融金属Ｗｂが凝固して、非溶融状態の溶接部ＷＣが形成されることとなる。
【００３６】
このようにして、定常溶接時、フィラーワイヤＢを溶融池ＷＢに供給しながら上下に重ね合わせられた平板状の二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２をレーザー溶接するレーザー溶接においては、前述したように、フィラーワイヤＢが溶融池ＷＢに供給されていることから、溶接終了時に、フィラーワイヤＢを引き戻しても溶融池ＷＢの溶融金属Ｗｂが凝固して形成される溶接部ＷＣに固着し、無理に引き離すと、該ワイヤＢの先端部に溶接部ＷＣの金属固化物が玉状に付着したり溶接部ＷＣに穴部が形成されたりするという溶接不良を生じることとなる。
【００３７】
そこで、溶接終了時において、フィラーワイヤＢを良好に金属板Ｗ１、Ｗ２から切り離すため、コントロールユニット４０は、レーザーヘッド１０や、ワイヤ供給装置２０に対し、定常溶接時とは異なる制御を行うようになっており、次に、この溶接終了時の制御を、図４のタイムチャートと図５及び図６の各ステップの状態説明図とを用いて説明する。
【００３８】
前述したように、定常溶接時には、レーザーヘッド１０から上側の金属板Ｗ１表面にフォーカス状態、すなわち上側の金属板Ｗ１に最も効率よくエネルギーが伝達されるように、焦点を該金属板Ｗ１の上面に設定した状態で所定のエネルギー密度を有するレーザー光Ａを照射し、少なくとも上側の金属板Ｗ１を溶融させて溶融金属Ｗｂが貯留されてなる溶融池ＷＢを形成するとともに、この溶融池ＷＢにおけるレーザー光Ａの被照射部ｘよりも溶接進行方向後方にフィラーワイヤＢを供給する。このフィラーワイヤＢには電圧が印加されており、フィラーワイヤＢは通電により加熱された状態で溶融池Ｗｂに供給される。これにより、フィラーワイヤＢを溶融池ＷＢに供給しながら所定の溶接経路に沿って二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２がレーザー溶接される。
【００３９】
そして、所定の溶接経路に沿ったレーザー溶接を行い、定常溶接を終了する際には、レーザー光Ａの照射とフィラーワイヤＢの溶融池ＷＢへの供給とを停止するとともに、フィラーワイヤＢへの電圧印加とロボットアーム３ａの移動とを停止する。定常溶接の終了時には、図５（ａ）に示すように、フィラーワイヤＢが溶融池ＷＢに供給されており、レーザーヘッド１０は、該レーザーヘッド１０からレーザー光Ａを照射したときにフィラーワイヤＢを照射しない位置に制御されている。
【００４０】
本実施形態では、溶接終了時に、先ず、第１ステップとして、レーザーヘッド回動駆動機構１２によるレーザーヘッド１０の移動を制御し、レーザーヘッド１０をフィラーワイヤＢ側に、すなわち溶接進行方向後方側に所定角度回転移動させ、図５（ｂ）に示すように時計回り方向に回転移動させる。このとき、レーザーヘッド１０は、フィラーワイヤＢにレーザー光Ａを照射することができるように、より具体的にはレーザー光Ａの被照射部ｘがフィラーワイヤＢの溶融池ＷＢへの進入部分を含むように回転移動される。本実施形態では、レーザーヘッド１０の光軸ＡＣが溶融池ＷＢへのフィラーワイヤＢの進入部分に一致するように移動される。
【００４１】
次に、第２ステップとして、図６（ａ）に示すように、レーザーヘッド１０の作動を制御し、レーザーヘッド１０の光学部材１２を光軸ＡＣに沿って移動させ、フィラーワイヤＢにレーザーヘッド１０からレーザー光Ａを照射したときにフィラーワイヤＢが照射される位置においてデフォーカス状態、すなわちフィラーワイヤＢが照射される位置が最も効率よくエネルギーが伝達される位置からずれている状態となるように焦点を移動させる。これにより、フィラーワイヤＢにレーザーヘッド１０からレーザー光Ａを照射したときに定常溶接時における所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光を照射することができる。
【００４２】
そして、レーザーヘッド１０からフィラーワイヤＢに定常溶接時における所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光Ａを照射する。第１ステップにおいて、レーザーヘッド１０は、その光軸ＡＣが溶融池ＷＢへのフィラーワイヤＢの進入部分に一致するように移動され、レーザー光Ａを照射したときにレーザー光Ａの被照射部ｘがフィラーワイヤＢの溶融池ＷＢへの進入部分を含むように移動されているので、フィラーワイヤＢは、溶融池ＷＢへの進入部分においてレーザー光Ａの照射を受けることとなる。なお、図４では、定常溶接時において上側の金属板Ｗ１の表面に照射されるレーザー光Ａのエネルギーを「ＨＩ」として表し、第２ステップ及び第３ステップにおいてフィラーワイヤＢに照射されるレーザー光Ａのエネルギーを「ＬＯＷ」として表している。
【００４３】
次に、第３ステップとして、図６（ｂ）に示すように、第２ステップにおいてレーザー光ＡをフィラーワイヤＢに照射した状態で、ワイヤ供給装置２０のワイヤ供給モータ２３の作動を制御し、フィラーワイヤＢを溶融池ＷＢへの供給方向と反対方向にワイヤリール２４に引き戻し、フィラーワイヤＢと金属板Ｗ１、Ｗ２とを切り離す。フィラーワイヤＢは、溶融池ＷＢへの進入部分においてエネルギー密度が低下されたレーザー光Ａの照射を受けながら引き戻され、上側の金属板Ｗ１の上面近傍においてレーザー光Ａによって溶断され、フィラーワイヤＢと金属板Ｗ１、Ｗ２とを良好に切り離すことができる。
【００４４】
本実施形態に係るレーザー溶接装置１にはまた、フィラーワイヤＢの溶融池ＷＢへの進入部分近傍を撮像する図示しない撮像装置が備えられ、レーザー溶接装置１は、前記撮像装置によって撮像された画像を画像処理してフィラーワイヤＢが金属板Ｗ１、Ｗ２と切り離されたか否かが検出することができるようになっており、図４では、このフィラーワイヤＢと金属板Ｗ１、Ｗ２とが切り離された時間をｔ１として表している。そして、フィラーワイヤＢが金属板Ｗ１、Ｗ２と切り離された後、所定位置までフィラーワイヤＢを引き戻すように時間ｔ２までフィラーワイヤＢが引き戻される。
【００４５】
一方、レーザーヘッド１０から照射されるレーザー光Ａは、フィラーワイヤＢが時間ｔ１において金属板Ｗ１、Ｗ２と切り離された後、所定時間経過した時間ｔ３において照射が停止される。これにより、フィラーワイヤＢが溶断されて金属板Ｗ１、Ｗ２側にフィラーワイヤＢの一部が残った場合にも、フィラーワイヤＢを溶融させることができ、未溶融のワイヤＢが金属板Ｗ１、Ｗ２に残存することを防止することができる。
【００４６】
なお、第３ステップの後には 次の溶接加工のために、レーザーヘッド１０が定常溶接時の状態に移動され、すなわちフィラーワイヤ１０側と反対側である溶接進行方向前方側に回転移動されるとともに、レーザーヘッド１０の光学部材１２が定常溶接時の状態に移動され、その後に、ロボットアーム３ａが次の溶接加工のための所定位置に移動される。
【００４７】
本実施形態では、第１ステップにおいて、レーザー光ＡをフィラーワイヤＢに照射することができるようにレーザーヘッドＢをフィラーワイヤＢ側に回転移動させているが、レーザーヘッド１０をベース板４に対して平行移動可能に構成し、レーザー光ＡをフィラーワイヤＢに照射することができるようにレーザーヘッド１０をフィラーワイヤＢ側に、すなわち溶接進行方向後方に平行移動させるようにすることも可能である。
【００４８】
このように、本実施形態においては、上側の金属板Ｗ１表面に所定のエネルギー密度を有するレーザー光Ａを照射して形成された溶融池ＷＢにレーザー光Ａの被照射部ｘよりも溶接進行方向後方にフィラーワイヤＢを供給し、二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２をレーザー溶接するレーザー溶接において、溶接終了時に、フィラーワイヤＢにレーザー光Ａを照射することができるようにレーザーヘッド１０を移動させ、フィラーワイヤＢにレーザーヘッド１０から前記所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光Ａを照射し、フィラーワイヤＢにレーザー光Ａを照射した状態で、フィラーワイヤＢを溶融池ＷＢへの供給方向と反対方向に引き戻し、フィラーワイヤＢと金属板Ｗ１、Ｗ２とを切り離す。
【００４９】
これにより、溶接終了時に、エネルギー密度を低下させたレーザー光ＡによってフィラーワイヤＢのみを溶融させて切り離すことができるので、ワイヤＢの先端部に溶接部ＷＣの金属固化物が玉状に付着したり溶接部ＷＣに穴部が形成されたりするという溶接不良が生じることを防止することができ、フィラーワイヤＢと金属板Ｗ１、Ｗ２とを良好に切り離すことができる。また、溶接終了時に、フィラーワイヤＢを引き戻しながらレーザー光Ａが照射されるので、ワイヤＢが切り離される際にワイヤＢの先端部が先細り状になる場合があるが、かかる場合においても、ワイヤＢを次の溶接に有効に使用することが可能である。
【００５０】
また、第１ステップでは、レーザーヘッド１０をフィラーワイヤＢ側に平行移動させる又は回転移動させるので、比較的簡単な装置を用いてレーザーヘッド１０を移動させることが可能であり、前記効果を有効に得ることができる。
【００５１】
前述した実施形態では、レーザーヘッド１０の光学部材１２を光軸ＡＣに沿って移動させ、定常溶接時には上側の金属板Ｗ１の上面にフォーカス状態でレーザー光Ａを照射し、溶接終了時の第２ステップ及び第３ステップにはフィラーワイヤＢにデフォーカス状態でレーザー光Ａを照射し、溶接終了時に定常溶接時よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光ＡをフィラーワイヤＢに照射しているが、レーザーヘッド１０から照射されるレーザー光Ａの出力を変えることにより、溶接終了時に定常溶接時よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光ＡをフィラーワイヤＢに照射するようにすることも可能である。
【００５２】
この場合、溶接終了時に、定常溶接時よりも出力が低下されたレーザー光Ａが照射されるので、フィラーワイヤＢのみを溶融させて金属板Ｗ１、Ｗ２と切り離すことができるとともに、レーザー光Ａによって金属板Ｗ１、Ｗ２がさらに溶融されて穴部が形成されることを防止することができる。
【００５３】
なお、図５及び図６では、溶接終了時の第１ステップ、第２ステップ及び第３ステップにおいて溶融池ＷＢを同一形状で表しているが、定常溶接終了時にレーザー光Ａの照射を停止した時点から溶融池ＷＢはその周囲から凝固することとなるが、かかる場合においても、本実施形態に係るレーザー溶接では、エネルギー密度を低下させたレーザー光ＡによってフィラーワイヤＢのみを溶融させて切り離すことができるので、フィラーワイヤＢと金属板Ｗ１、Ｗ２とを良好に切り離すことができる。
【００５４】
本発明は、例示された実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明は、フィラーワイヤを溶融池に供給しながら上下に重ね合わされた二枚の金属板をレーザー溶接する場合に、溶接終了時に、フィラーワイヤと金属板とを良好に切り離すことができ、もって、この種の溶接を行う例えば自動車産業等において広く利用される可能性がある。
【符号の説明】
【００５６】
１ レーザー溶接装置
１０ レーザーヘッド
２０ ワイヤ供給装置
４０ コントロールユニット
Ａ レーザー光
Ｂ フィラーワイヤ
Ｗ１ 上側の金属板
Ｗ２ 下側の金属板
ＷＢ 溶融池
Ｗｂ 溶融金属
ＷＣ 溶接部
ｗ 隙間
ｘ レーザー光被照射部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下に重ね合わせられた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のうち上側の金属板表面に所定のエネルギー密度を有するレーザー光を照射し、前記金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成するとともに、前記溶融池における前記レーザー光の被照射部よりも溶接進行方向後方にフィラーワイヤを供給し、二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接方法であって、溶接終了時に、
レーザー光を照射するレーザーヘッドを、前記フィラーワイヤにレーザー光を照射することができるように移動させる第１ステップと、
前記フィラーワイヤに前記レーザーヘッドから前記所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光を照射する第２ステップと、
前記フィラーワイヤに前記レーザー光を照射した状態で前記フィラーワイヤを前記溶融池への供給方向と反対方向に引き戻し、前記フィラーワイヤと前記金属板とを切り離す第３ステップと、
を備えている、ことを特徴とするレーザー溶接方法。
【請求項２】
前記請求項１に記載のレーザー溶接方法において、
前記第１ステップでは、前記レーザー光の被照射部が前記フィラーワイヤの前記溶融池への進入部分を含むように前記レーザーヘッドを移動させる、
ことを特徴とするレーザー溶接方法。
【請求項３】
前記請求項２に記載のレーザー溶接方法において、
前記第１ステップにおいて、前記レーザーヘッドを前記フィラーワイヤ側に平行移動させる又は回転移動させる、
ことを特徴とするレーザー溶接方法。
【請求項４】
上下に重ね合わせられた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のうち上側の金属板表面に所定のエネルギー密度を有するレーザー光を照射し、前記金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成するレーザーヘッドと、前記溶融池における前記レーザー光の被照射部よりも溶接進行方向後方にフィラーワイヤを供給可能に構成されると共に前記フィラーワイヤを前記溶融池への供給方向と反対方向に引き戻し可能に構成されたワイヤ供給手段と、を備え、フィラーワイヤを溶融池に供給しながら二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接装置であって、
溶接終了時に、前記フィラーワイヤにレーザー光を照射することができるようにレーザーヘッドの移動を制御し、前記フィラーワイヤに前記レーザーヘッドから前記所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光を照射するように前記レーザーヘッドの作動を制御し、前記フィラーワイヤに前記レーザー光を照射した状態で前記フィラーワイヤを前記溶融池への供給方向と反対方向に引き戻し、前記フィラーワイヤと前記金属板とを切り離すように前記ワイヤ供給手段の作動を制御する制御手段をさらに備えている、
ことを特徴とするレーザー溶接装置。
【請求項１】
上下に重ね合わせられた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のうち上側の金属板表面に所定のエネルギー密度を有するレーザー光を照射し、前記金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成するとともに、前記溶融池における前記レーザー光の被照射部よりも溶接進行方向後方にフィラーワイヤを供給し、二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接方法であって、溶接終了時に、
レーザー光を照射するレーザーヘッドを、前記フィラーワイヤにレーザー光を照射することができるように移動させる第１ステップと、
前記フィラーワイヤに前記レーザーヘッドから前記所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光を照射する第２ステップと、
前記フィラーワイヤに前記レーザー光を照射した状態で前記フィラーワイヤを前記溶融池への供給方向と反対方向に引き戻し、前記フィラーワイヤと前記金属板とを切り離す第３ステップと、
を備えている、ことを特徴とするレーザー溶接方法。
【請求項２】
前記請求項１に記載のレーザー溶接方法において、
前記第１ステップでは、前記レーザー光の被照射部が前記フィラーワイヤの前記溶融池への進入部分を含むように前記レーザーヘッドを移動させる、
ことを特徴とするレーザー溶接方法。
【請求項３】
前記請求項２に記載のレーザー溶接方法において、
前記第１ステップにおいて、前記レーザーヘッドを前記フィラーワイヤ側に平行移動させる又は回転移動させる、
ことを特徴とするレーザー溶接方法。
【請求項４】
上下に重ね合わせられた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のうち上側の金属板表面に所定のエネルギー密度を有するレーザー光を照射し、前記金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成するレーザーヘッドと、前記溶融池における前記レーザー光の被照射部よりも溶接進行方向後方にフィラーワイヤを供給可能に構成されると共に前記フィラーワイヤを前記溶融池への供給方向と反対方向に引き戻し可能に構成されたワイヤ供給手段と、を備え、フィラーワイヤを溶融池に供給しながら二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接装置であって、
溶接終了時に、前記フィラーワイヤにレーザー光を照射することができるようにレーザーヘッドの移動を制御し、前記フィラーワイヤに前記レーザーヘッドから前記所定のエネルギー密度よりもエネルギー密度を低下させたレーザー光を照射するように前記レーザーヘッドの作動を制御し、前記フィラーワイヤに前記レーザー光を照射した状態で前記フィラーワイヤを前記溶融池への供給方向と反対方向に引き戻し、前記フィラーワイヤと前記金属板とを切り離すように前記ワイヤ供給手段の作動を制御する制御手段をさらに備えている、
ことを特徴とするレーザー溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−６２７２８（Ｐ２０１１−６２７２８Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１５７４６（Ｐ２００９−２１５７４６）
【出願日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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